操縱士 없는 無人偵察機, 空中給油는 ‘하늘의 별따기’였지만…

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入力 2012年 1月 6日 03時 00分

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高難度宇宙船 도킹 技術로 ‘OK’

지난해 1월 21일 무인기인 ‘글로벌호크’(오른쪽)가 또 다른 무인기 프로테우스에 근접해서 비행하는 모습. 노스럽그러먼 제공 — 지난해 1月 21日無人機人 ‘글로벌호크’(오른쪽)가 또 다른 無人機 프로테우스에 近接해서 飛行하는 모습. 노스럽그러먼 提供

지난해 11月 3日中國의 實驗用宇宙停車場 톈궁 1號와 宇宙飛行士가 搭乘한 誘引宇宙船이 ‘도킹’에 成功해 世界를 놀라게 했다. 宇宙도킹은 宇宙船(또는 人工衛星) 두 臺를 하나로 連結하는 技術이다. 銃알보다 10倍나 빨리 움직이는 宇宙船을 連結하는 것은 精密制御技術이 없으면 不可能하다. 美國과 러시아 程度만 이 技術을 갖고 있다.

도킹 技術은 宇宙뿐 아니라 航空機에도 쓰인다. 特히 最近無人航空機(無人機)에 適用하기 위한 硏究가 한창이다. 偵察에 主로 使用되는 無人機는 普通小型으로 燃料桶이 작은데 도킹 技術을 活用해 空中給油를 하면 飛行 거리를 크게 늘릴 수 있다.

○ 도킹 核心技術은 ‘近接飛行’

誘引偵察機나 戰鬪機에는 도킹을 通한 空中給油技術이 이미 使用되고 있다. 空中給油에 처음 成功한 것은 約 90年前인 1923年이다. 위쪽의 飛行機에서 燃料호스를 내려 주면, 아래쪽 飛行機操縱士가 손으로 받아 燃料注入區에 直接 꽂는 式이다. 最新型飛行機의 空中給油方法도 다르지 않다. 燃料 호스 끝에 剛한 電磁石이 設置돼 있어서 이 近處에 給油를 받을 飛行機의 給油파이프를 가져다 대면 빨려 들어가듯 連結된다.

空中給油에서 가장 重要한 것은 ‘近接飛行’이다. 두 臺의 飛行機가 數 m 距離까지 다가가 몇 分以上을 바짝 붙어 날아가야 한다. 조그만 失手도 事故로 連結될 수 있다. 飛行士라도 關聯資格證이 없으면 空中給油作業을 할 수 없다.

無人機의 空中給油는 더욱 어렵다. 上空에서는 宇宙와 달리 空氣의 抵抗 때문에 航空機의 安全性이 떨어진다. 有人飛行氣는 飛行士의 熟鍊된 技術에 依支해 空中給油를 할 수 있지만 無人機는 모든 過程을 컴퓨터에 맡겨야 한다.

○ 映像解釋技術이 關鍵

科學者들은 宇宙 도킹技術을 利用한 無人機空中給油를 硏究하고 있다. 도킹을 하는 두 飛行體가 아슬아슬한 距離까지 나란히 날다가 어느 瞬間 한 臺로 합쳐지는 技術로 飛行機에도 應用할 수 있다.

最初의 宇宙도킹은 1967年에 옛 蘇聯(러시아)에서 처음 成功했다. 宇宙船끼리의 거리를 ‘비콘’(서로의 位置를 알아내기 위해 電波를 주고받는 裝置) 信號로 알아낸 다음 數學的으로 精密하게 分析해가며 조금씩 距離를 좁혀가는 方法을 썼다. 러시아는 아직 宇宙도킹에 이 技術을 쓴다. 이소연 航空宇宙硏究院硏究院이 2008年 러시아 소유스 宇宙船을 타고 國際宇宙停車場(ISS)에 도킹할 때 쓴 것도 이 技術이다.

美國에서는 最近 비콘 方式과 함께 映像센서를 利用한 ‘映像認識’ 技術을 쓴다. 宇宙船(또는 人工衛星)李 도킹할 때 비디오카메라로 서로의 映像을 찍는데 이 畵面을 컴퓨터로 分析해 도킹할 宇宙船과의 距離, 位置等을 自動으로 計算하는 方法이다. 또 宇宙船 몸體 곳곳에 스마트폰에서 쓰는 ‘QR코드’ 같은 무늬를 그려 두고 이 畵面을 컴퓨터로 읽어 들여 宇宙船의 方向과 速度를 制御하는 ‘標的認識’ 方式, 레이저光線으로 도킹할 對象인 人工衛星이나 宇宙船의 形態를 把握한 다음, 3次元(3D) 映像을 만들어 相對位置를 分析하는 라이다(LIDAR·레이저레이더) 技術도 쓴다.

○ 美國無人機 도킹 實用化 눈앞

지난해 6월 우주왕복선 ‘인데버’호가 국제우주정거장(ISS)에 도킹하는 장면. 미국항공우주국(NASA) 제공 — 지난해 6月宇宙往復船 ‘인데버’號가 國際宇宙停車場(ISS)에 도킹하는 場面. 美國航空宇宙局(NASA) 提供

美國은 도킹을 통해 無人機空中給油技術을 開發한 國家다. 美國防部傘下高等硏究企劃局(DARPA)은 2010年 7月防衛産業體인 노스럽그러먼社와 ‘無人空中給油機開發事業(KQ-X)’을 進行하기로 했다고 發表했고 지난해 1月, 美國航空宇宙局(NASA)과 共同으로 두 臺의 無人飛行機를 4萬5000피트(藥 13.7km) 上空에서 近接飛行(藥 12m距離)하는 데 成功했다.

이 實驗은 도킹技術의 가장 重要한 ‘近接飛行’ 技術을 完成했다는 點에서 話題가 됐다. NASA와 노스럽그러먼社는 올해 안에 實際空中給油實驗을 進行할 豫定이다. 이스라엘도 關聯技術을 硏究中이다.

國內에서는 방효충 KAIST 航空宇宙工學科敎授硏究팀이 2008年부터 無人機近接飛行技術을 硏究하고 있다. 그는 “映像카메라와 컴퓨터를 連結해 近接飛行에 必要한 ‘誘導信號’를 認識하게 만들었다”며 “近接飛行技術國産化의 可能性을 確認한 만큼, 模型航空機를 利用해 實際로 近接飛行實驗硏究도 곧 遂行할 것”이라고 말했다.

大田=전승민 동아사이언스 記者 enhanced@donga.com